UNIVERSITÉ OUVERTE 2013-­‐2014 Du neurone au cerveau: Une promenade dans la complexité du système nerveux Jean-­‐Pierre Henry Laboratoire [email protected]ère et Systèmes Complexes, Université Paris Diderot hNp://www.msc.univ-­‐paris-­‐diderot.fr/ ~henry/ jean-­‐[email protected]­‐paris-­‐diderot.fr Cours 4 Les réseaux de neurones: Comment ils fabriquent des propriétés nouvelles, la mémoire cellulaire Jeudi 28 novembre 2013 Résumé des cours précédents (1) • Le [email protected] du cerveau implique la [email protected] d’[email protected] entre un grand nombre de cellules (neurones) • L’[email protected] est d’abord électrique, sous la forme d’une vague de [email protected] circulant depuis l’extrémité [email protected] jusqu’à la terminaison [email protected] (poten)el d’ac)on), à l’intérieur du neurone • Le passage de l’[email protected] d’une cellule à l’autre est assuré par la libé[email protected] de molécules (neurotransme1eurs), à travers l’espace [email protected] • La libé[email protected] du neurotransmeNeur (Exocytose) est déclenchée par une [email protected] du Ca2+ dans la terminaison induite par l’arrivée du [email protected] d’[email protected] Résumé des cours précédents (2) • Le neurotransmeNeur libéré se fixe sur des récepteurs présents sur le neurone cible • Certains récepteurs sont des canaux que la liaison du neurotransmeNeur ouvre (récepteurs ionotropes) • CeNe ouverture modifie le [email protected] de repos du neurone, déclenchant un [email protected] d’[email protected] (neurone excitateur) ou verrouillant sa genèse (n. inhibiteur) • D’autres agissent sur le métabolisme cellulaire (récepteurs métabotropes) par l’intermédiaire de protéines de [email protected] (protéines G) • Dans ce cas, les effets sont divers: modifi[email protected] de l’[email protected]é de protéines, démarrage du programme géné@que) Comment les neurones travaillent ensemble • Comment une « mémoire » peut apparaître chez un invertébré • Et chez nous! • Le cerveau vu comme un réseau de neurones Comment les neurones travaillent ensemble • Comment une « mémoire » peut apparaître chez un invertébré • Et chez nous! • Le cerveau vu comme un réseau de neurones Comprendre un réseau de neurones • D’abord définir « une [email protected] » ou « un comportement » • Définir les neurones impliqués (anatomie) • Déterminer les signaux portés par ces neurones et comment ils circulent dans le réseau • Analyser les éléments cellulaires et [email protected] impliqués dans le [email protected] de ces neurones • Relier ces [email protected] à la [email protected] in vivo • Est-­‐ce possible? Eric Kandel (Prix Nobel 2000): Les neurones et l’[email protected] chez l’Aplysie • Kandel, [email protected] psychanalyste, suit le conseil: • “If you want to understand the brain you’re going to have to take a [email protected] approach, one cell at a @me.” • Il a étudié l’[email protected] chez l’Aplysie, gastéropode marin Son hypothèse de base La « mémoire » est un renforcement de circuits synap)ques au niveau des synapses hNp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/ medicine/laureates/2000/kandel-­‐lecture.html A la recherche de la mémoire: une nouvelle théorie de l’esprit, Odile Jacob éditeur Le réflexe de « ré[email protected] des branchies » L’[email protected] • Quand le siphon est touché, le bord des branchies se déplace • Si l’expérience est répétée, l’animal s’habitue et la ré[email protected] devient limitée (habitua)on) • Si on associe avec ce reflexe, un choc fort sur la queue, on récupère un reflexe fort • Après [email protected] (Sensibilisa)on), l’effet est vu même sans toucher la queue • C ’est un reflexe [email protected] Le réflexe de « ré[email protected] des branchies » La mémoire • La réponse observée après un choc se [email protected] pendant une durée d’environ une heure • Si le [email protected] est répété sous forme de trains de [email protected]@ons électriques, la réponse se [email protected] au delà d’une semaine! Définir les neurones impliqués (1) un système favorable Ganglion abdominal: contrôle du comportement étudié • Ce travail (de béné[email protected]) a été possible car l’aplysie n’a pas de cerveau et un nombre limité de neurones (20 000) • Les neurones sont organisés en ganglions • Ils sont de grande taille et de couleurs variables • Ils sont [email protected]fiables individuellement Définir les neurones impliqués (2) Repérage du circuit • A l’aide d’électrodes intracellulaires, le neurone sensoriel (sur le siphon) a été [email protected]fié (neurone à glutamate) • Puis, le neurone moteur (cholinergique), innervant les branchies • L’[email protected] du motoneurone contracte les branchies, celle du neurone sensoriel donne un [email protected] d’[email protected] et [email protected] le motoneurone • Une [email protected]@on répétée donne des trains de [email protected] Déterminer les signaux portés par ces neurones et comment ils circulent dans le réseau (1) • Le réseau comporte un neurone sensoriel [email protected] (glutamate) le neurone moteur soit directement soit à travers un interneurone • Le choc passe par un neurone modulateur à sérotonine qui renforce le circuit Déterminer les signaux portés par ces neurones et comment ils circulent dans le réseau (2) • Le [email protected] d’[email protected] du neurone sensoriel induit sur le neurone moteur une réponse qui diminue avec le temps ([email protected]) • Un choc sur la queue rétablit une réponse forte • Correspondance avec la réponse comportementale Analyser les éléments cellulaires et [email protected] impliqués dans le [email protected] de ces neurones • Kandel va s’efforcer de déchiffrer les effets métabotropes du neurone à sérotonine qui expliquent la [email protected] • Il va appliquer la sérotonine sur le neurone sensoriel • Il va injecter du cAMP ou de la kinase (enzyme de [email protected]) dans le neurone sensoriel • Tous ces traitements « sensibilisent » ce neurone, qui produit des effets plus marqués sur le neurone moteur Résumé des mécanismes de [email protected] à court terme [email protected] à long terme Étude sur des cultures de neurones (1) • Images d’une culture contenant un neurone sensoriel et un moteur • À gauche : culture contrôle; à droite, 5 [email protected] de sérotonine, puis [email protected] 24 h • Encadré: réponse électrique du neurone moteur après [email protected]@on du neurone sensoriel: la [email protected] est là • Le marquage fluorescent du neurone moteur montre des modifi[email protected] structurales (flèches): développement des synapses (le neurone sensoriel n’est pas marqué) (Bailey et al (1992) Neuron,9, 749) [email protected] à long terme Étude sur des cultures de neurones (2) • Le renforcement de la synapse implique d’abord un meilleur [email protected]: [email protected] de vésicules • Dans un second temps, modifi[email protected] structurales: [email protected] de nouvelles synapses • CeNe dernière étape requiert une synthèse de protéines et l’[email protected]@on de gènes (Bailey et al (2008) Prog Brain Res, 169, 179) La « mémoire » de l’aplysie • Les travaux de Kandel montrent qu’un comportement impliquant [email protected] et mémoire est déchiffrable en termes de neurones • L’élément clé est la synapse et l’[email protected] apparaît comme un renforcement d’une synapse • Ce renforcement est dû à un dialogue entre la synapse et les gènes • La mémoire à long terme implique une [email protected] dans les gènes • Ces mécanismes sont-­‐ils généralisables aux vertébrés ? Comment les neurones travaillent ensemble • Comment une « mémoire » peut apparaître chez un invertébré • Et chez nous! • Le cerveau vu comme un réseau de neurones [email protected] générale du cerveau Comment s’y retrouver ? Le cerveau est l’extrémité d’un tube! (1) • Au cours de la [email protected], le système nerveux apparaît comme un tube dont l’extrémité antérieure va se différencier pour former le cerveau • À gauche, vue latérale; à droite, vue de dessus • À ce stade, la [email protected] creuse est bien visible • Des structures se forment par [email protected] et repliement Le cerveau est l’extrémité d’un tube! (2) • À un stade ultérieur, on voit apparaître des structures paires (vésicules [email protected], qui vont donner la ré@ne; télencéphale) • La [email protected] rouge va donner le tronc cérébral et le cervelet • La [email protected] verte (mésencéphale) le raphé, la substance noire • Le diencéphale, le thalamus, organe pair • Le télencéphale, les hémisphères cérébraux, qui vont tout recouvrir Le cerveau est l’extrémité d’un tube! (3) • À la fin du second trimestre, la forme générale est acquise • Remarquez la scissure latérale (scissure de Sylvius) et le sillon (sulcus) central qui définiront les aires cérébrales • En coupe, il ne subsiste de la lumière du tube que les ventricules • Sur la coupe, le thalamus (diencéphale) est visible • La couleur plus claire correspond à la « substance blanche » Ré[email protected] du cerveau adulte (1) • Le cerveau (1,3 à 1,4 kg) montre un grand développement des hémisphères cérébraux) • Certains détails morphologiques [email protected] permeNent d’[email protected]fier des régions: Scissure de Sylvius, sillon central (scissure de Rolando), sillon pariéto-­‐occipital) Ré[email protected] du cerveau adulte (2) • On [email protected], en avant, cortex frontal (bleu), limité en arrière, par le sillon central et en dessous, par la scissure de Sylvius • En arrière du sillon central et au dessus de la scissure, les cortex pariétaux (orange) • En dessous de la scissure de Sylvius, les cortex temporaux • Derrière le sillon pariéto-­‐ occipital, le cortex occipital Ré[email protected] du cerveau adulte (3) • Coupe du cerveau selon le plan B: les structures vues [email protected] aux hémisphères (sauf le thalamus) • On [email protected] la [email protected]ère grise extérieure et la blanche, interne • Remarquons l’Hippocampe, [email protected] ventrale du cortex temporal Un autre exemple de « mémoire » la [email protected]@on à Long Terme (LTP) (1) • L’hippocampe est une structure cérébrale impliquée dans la mémoire • Dans un test, on met des rats dans une piscine; il y a des ilots où ils ont pied • Ils apprennent rapidement à trouver ces ilots • Si l’hippocampe est lésé, ils n’apprennent plus! LTP (2) Les circuits neuronaux de l’hippocampe de rat • L’[email protected] neuronale est bien définie; la morphologie des neurones permet des repérages • On effectue des coupes de @ssus qui gardent les neurones [email protected]: les réseaux sont analysés in vitro • On étudie les synapses entre les neurones pyramidaux de l’aire CA3 et ceux de l’aire CA1 • Ces synapses sont ionotropes glutamate LTP (3): les circuits neuronaux • On peut [email protected] le neurone 1 ou le 2 qui tous deux contactent la même cible • Une [email protected]@on unique produit une dé[email protected] de la cible, [email protected] pour les 2 neurones • Si on envoie un train de [email protected]@ons (10/s pendant 15s, tétanus) dans un des neurones, la [email protected]@on unique suivante produit un effet plus important (poten)a)on), uniquement dans le neurone qui a été tétanisé (Lomo et Bliss, 1973) LTP (4): Durée de la [email protected]@on • La durée de l’effet de [email protected]@on après la [email protected]@on tétanique est longue • Dans le protocole indiquée, elle est supérieure à une heure • Dans certains cas, elle dépasse une année • Ce phénomène est la LTP, Poten)a)on à Long Terme • Il n’est pas spécifique de ceNe paire de neurones; on le trouve dans d’autres structures cérébrales Pourquoi la LTP est-­‐elle un modèle de stockage de l’[email protected] ? (1) • Si on excite par un [email protected] unique (pas de LTP) et si simultanément, on dépolarise électriquement le neurone cible, on observe une LTP • On observe un renforcement ([email protected]) si il y a « coïncidence » temporelle entre les deux effets (fenêtre de ≈ 100 ms) • Ce n’est pas une [email protected] simple car l’effet a une durée longue Le modèle de Hebb (1949) une hypothèse sur la [email protected] [email protected] • Au cours du développement (cours 1), si des neurones déchargent de manière synchrone sur une même cible, les synapses sont renforcées • Si les signaux ne tombent pas ensemble, la synapse dégénère • Ce modèle est très souvent cité pour expliquer le développement mais aussi la mémoire et l’[email protected] Pourquoi la LTP est-­‐elle un modèle de stockage de l’[email protected] ? (2) • Spécificité: si on [email protected] la synapse du chemin 1, la synapse du chemin 2 n’est pas [email protected]ée • Le neurone cible enregistre séparément les [email protected] 1 et 2 Pourquoi la LTP est-­‐elle un modèle de stockage de l’[email protected] ? (3) • Associa)vité: en revanche, si pendant une forte [email protected]@on du chemin 1 (donnant une LTP), le chemin 2 est faiblement [email protected]é, alors les deux synapses montrent une LTP • Madeleine de Proust Mécanisme moléculaire de la [email protected]@on à Long Terme • A la base, il y a une différence entre les deux types de récepteurs ionotropes du glutamate • En présence de glutamate, le type NMDA perméable au Na+ et Ca2+ est bouché par Mg2+; seuls le type AMPA est [email protected] • Si la terminaison est dépolarisée, les ions Mg2+ sont chassés et le type NMDA devient [email protected] Mécanisme de la LTP: Différence entre les récepteurs au glutamate Preuves expérimentales [email protected] de récepteurs AMPA [email protected] de l’[email protected]é kinase • En haut: on mesure le courant passant par les récepteurs AMPA après une [email protected]@on fine au niveau des épines [email protected] • Leur [email protected]é est toujours augmentée 120 min après LTP • En bas: on mesure l’[email protected]é d’une protéine kinase [email protected]ée par le Ca2+ • La [email protected]@on LTP [email protected] les récepteurs NMDA par lesquels le Ca2+ rentre Modifi[email protected] morphologiques (1) • À long terme, on observe des modifi[email protected] morphologiques du neurone cible • Augmenta)on du nombre d’épines dendri)ques sur les dendrites • La modifi[email protected] est du côté post-­‐[email protected] • De telles modifi[email protected] nécessitent une synthèse de protéines et donc une ac)va)on de gènes La [email protected]@on à Long Terme augmente le volume des épines [email protected] Les marques sont espacées de 30min; le volume du neurone est rempli de la protéine GFP (Matsuzaki et al (2004) Nature,429, 761) La LTP implique une synthèse protéique • L’[email protected] de volume de l’épine [email protected] (A,B) est induite par l’[email protected] de glutamate et une [email protected]@on [email protected] • Elle disparaît si un inhibiteur de la synthèse protéique est ajoutée • Ce traitement fait aussi diminuer la stabilité de la [email protected]@on mesurée électriquement (Tanaka et al (2008) Science,319, 1683) Modifi[email protected] morphologiques (2) Les seconds messagers Ca2+ et cAMP signalent au noyau la nécessité de démarrer la [email protected] de gènes et la synthèse de protéines Conclusions sur la [email protected]é [email protected] • Les travaux sur la LTP et l’aplysie ont montré que la synapse est un relai très intéressant pour le stockage de l’[email protected] • Les mécanismes sont différents pour le court terme, le moyen et le long terme • Dans ce dernier cas, l’[email protected] est stockée dans l’[email protected] de nouvelles synapses (modèle de Hebb) • La modifi[email protected] peut commencer du côté pré-­‐ [email protected] (aplysie) ou post-­‐[email protected] (LTP) Comment les neurones travaillent ensemble • Comment une « mémoire » peut apparaître chez un invertébré • Et chez nous! • Le cerveau vu comme un réseau de neurones L’électroencéphalogramme, une approche globale non invasive (1) • Développé par le psychiatre Hans Berger en 1929 • Le signaux proviennent des couches superficielles (cortex) L’électroencéphalogramme, une approche globale non invasive (2) • Les signaux sont faibles (dizaines de µV), bruyants, altérés par les os crâniens • Ce dernier point [email protected]fie le développement de la Magnétoencéphalographie (MEG), les champs magné@ques n’étant pas perturbés par l’os • Dans certains états comme le sommeil, des signaux clairs (ondes) sont visibles, impliquant une [email protected] des signaux neuronaux Le cerveau et le sommeil (1) • Le sommeil est une succession de phases caractérisées physiologiquement • Le sommeil sans mouvement oculaire (non REM) passe par 4 phases jusqu’au sommeil profond (EEG) • A la fin d’un cycle, on passe par une phase à mouvements oculaires rapides (REM), voisine de la conscience, mais avec une paralysie musculaire • Les rêves sont nombreux dans ceNe phase Le cerveau et le sommeil (2) • Le traitement (Fourier) des signaux permet de [email protected] des régimes différents dans les EEG • Veille et sommeil REM: [email protected]é β: signaux rapides (15-­‐60 Hz), faible amplitude (30 µV) • Sommeil: stade 1: ondes θ (4-­‐8Hz, 50-­‐100µV); stade 2: signaux rapides (fuseaux, spindles, 10-­‐12Hz, 50-­‐150µV); stade 3 et 4: ondes δ (0,5-­‐4 Hz, 100-­‐150 µV) • Comment expliquer ce1e synchronisa)on? L’enregistrement extracellulaire (1) • Pour mesurer l’[email protected]é électrique de réseaux complexes, in vivo ou sur des tranches, on [email protected] des électrodes extracellulaires, souvent quatre (dessin) mais parfois jusqu’à 100 (nanotechnologies) • Chaque électrode enregistre des choses différentes • Deux types de signaux: des pics rapides (rouges) et des « [email protected] » correspondant les uns, à des [email protected] d’[email protected] et les autres, aux ondes de l’EEG (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) L’enregistrement extracellulaire (2) • Les électrodes extracellulaires récupèrent toute l’[email protected]é électrique environnante: plus de 100 neurones dans un rayon de 50 μm • L’[email protected]é lente est aNribuée à la somme des [email protected] de [email protected] de repos (excitateur ou inhibiteur) • Électroniquement, on peut isoler les [email protected] rapides ([email protected]) et les ondes lentes (LFP, Local Field [email protected], [email protected] du Champ Local) (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) L’enregistrement extracellulaire (3) • Par les enregistrements extracellulaires, on [email protected] dans différentes aires du cerveau et dans différentes [email protected], toutes sortes de rythmes • en [email protected], on retrouve les ondes détectées par EEG dans les différents états de veille et de sommeil • L’EEG est une mesure (dégradée) du [email protected] de Champ Local le plus proche: celui des neurones [email protected] pyramidaux (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) [email protected]és coordonnées et sommeil (1) • Chez le rongeur endormi, avec ceNe technique, on mesure les ondes lentes δ en surface du cortex (trace rouge lente) ou en profondeur (trace noire) • On détecte aussi les [email protected] d’[email protected] des neurones (bleu, vert jaune et rouge) pendant une phase des ondes (up phase) • CeNe rythmicité disparaît à l’état de veille (Harris and Thiele (2011) Nature Rev Neurosc, 12, 509) [email protected]és coordonnées et sommeil (2) • Sur des [email protected] opérés (épilepsie), on enregistre pendant leur sommeil: EEG, EOG, mouvements des yeux; EMG, [email protected]é musculaire; par des électrodes intracraniennes (D), l’EEG profond et des [email protected]és neuronales [email protected] • (F): rouge et bleu: EEG; MUA: [email protected] unit [email protected]@es; noir: [email protected]és individuelles (Nir et al (2011) Neuron, 70, 153) [email protected]és coordonnées et sommeil (3) • Enregistrement réel d’un [email protected] en sommeil profond • Rouge: Scalp EEG; bleu: EEG profond • Noir: [email protected]é individuelle au niveau d’une électrode • Les zones grisées marquent les périodes « up », [email protected] • Certains groupes de neurones (cortex, hippocampe) peuvent se décharger de manière coordonnée • Remarque: pas de [email protected] sur tout le cortex Signifi[email protected] du sommeil (1) • Le sommeil profond est indispensable à la santé; il est présent chez les animaux depuis la mouche jusqu’à l’homme • Pendant le sommeil profond, l’[email protected]é neuronale est diminuée pendant les phases « down » des ondes δ, ce qui peut poser des problèmes de vigilance à de nombreux animaux • Le dauphin résout ce problème en dormant d’un seul hémisphère à la fois • Pourquoi dort-­‐on ? Signifi[email protected] du sommeil (2) (Xie et al (octobre 2013) Science,342, 373) • Selon un travail récent, le sommeil permeNrait le « lavage » des neurone et l’excré@on des sous produits par le liquide céphalo-­‐ rachidien (LCR) • On injecte dans le LCR de souris des colorants fluorescents • Vert pendant le sommeil; il pénètre profondément • On réveille la souris et injecte un marqueur orange: il diffuse très mal • Dans l’expérience complémentaire, on injecte l’orange pendant la veille, puis on anesthésie la souris et injecte le rouge Conclusions sur le sommeil • Au cours du sommeil profond, des ondes lentes (0,5-­‐4 Hz) apparaissent dans les aires [email protected] • L’[email protected]é des neurones pyramidaux du cortex est alors rythmique avec des phases silencieuses • Le sommeil (et ces rythmes) sont indispensables et correspondent à une période de récupé[email protected] • Plusieurs hypothèses ont été proposées • Selon l’une d’elle, les espaces accessibles à un lavage passeraient de 14% (veille) à 22% (sommeil) permeNant l’excré@on de produits de l’[email protected]é neuronale Y a –t-­‐il des rythmes en dehors du sommeil? Les ondes θ dans l’hippocampe • Chez la souris en phase d’[email protected], des électrodes extracellulaires permeNent de montrer l’existence d’ondes dans l’hippocampe, une structure du cortex temporal • Le rythme est de 4 à 7 Hz, correspondant aux ondes θ (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) « Les cellules de lieu » • Si on enregistre l’[email protected]é de neurones de l’hippocampe, on constate qu’un neurone ne s’[email protected] que quand la souris est dans une [email protected] donnée • Chacune des images de droite correspond à un neurone; la couleur correspond aux [email protected] de la souris qui allument ce neurone • La souris a une carte de son environnement dans son hippocampe: ces neurones sont des cellules de lieu (Figure: Karim Benchenane, ESPCI Les cellules de lieu et ondes θ • Une cellule de lieu émet des [email protected] d’[email protected] quand la souris est dans un lieu [email protected] • L’ensemble des cellules de l’hippocampe oscille sur un rythme θ • les [email protected] d’[email protected] apparaissent-­‐ils à des instants [email protected] du cycle? (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) [email protected] entre [email protected] d’[email protected] et cycle un phénomène curieux • La tache rouge correspond au territoire dans lequel la cellule de lieu étudiée répond • Le [email protected] d’[email protected] est figuré par le trait [email protected] • Plus la souris approche du centre de la tache rouge, plus la fréquence des [email protected] d’[email protected] augmente • On regarde la [email protected] des [email protected] d’[email protected] sur le cycle θ (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) [email protected] entre [email protected] d’[email protected] et cycle un phénomène curieux • On se rapproche du centre: la fréquence augmente • L’[email protected]é n’est pas dans la même [email protected] sur le cycle: les pics apparaissent plus tôt [email protected] entre [email protected] d’[email protected] et cycle un phénomène curieux • Le phénomène est régulier: les pics apparaissent de plus en plus tôt [email protected] entre [email protected] d’[email protected] et cycle un phénomène curieux • On s’éloigne du centre • La fréquence des pics diminue • Mais le décalage [email protected] dans le même sens [email protected] entre [email protected] d’[email protected] et cycle un phénomène curieux • Les neurones de lieu envoient une double [email protected] • En plus de l’[email protected] de lieu, ils renseignent sur le sens du déplacement par rapport au centre du champ • CeNe [email protected] est codée dans la fréquence des [email protected] d’[email protected] et dans la « phase » des pics par rapport au rythme Réseau neuronal et code neural • Le grand nombre de neurones et de leurs contacts rend difficile le passage de l’[email protected] entre une cellule A et une cellule B • Pour qu’un message arrive à son [email protected], il doit être codé d’une manière compréhensible par ce dernier • Le codage peut prendre des formes [email protected] de [email protected] temporelle que les chercheurs essayent de décoder: nombre des [email protected], écarts entre eux,.. • Les rythmes peuvent apporter des éléments de [email protected] des messages Conclusions • Après avoir cheminé parmi les caracté[email protected] électriques et chimiques des neurones, nous avons exploré comment elles engendraient de nouvelles propriétés quand les neurones s’organisaient en réseaux • Des phénomènes de renforcement et de mémoire apparaissent quand la synapse [email protected] la biologie cellulaire et son métabolisme • Sur des réseaux complexes, les propriétés électriques permeNent un raffinement dans les échanges de signaux • Le sommeil est un exemple frappant de [email protected] des [email protected]és neuronales Cours 5 Comment aborder le [email protected] du cerveau Les organes sensoriels Jeudi 5 décembre 2013